Sistemas Analógicos e Digitais - josematias.pt · sistemas digitais e o desenvolvimento dos conceitos relacionados com a electrónica de ... Microprocessadores e Microcontroladores

Ministério da Educação

Direcção – Geral de Inovação e de Desenvolvimento Curricular

Ensino Recorrente de Nível Secundário

Programa

de

Sistemas Analógicos e Digitais (de acordo com a disciplina de especificação de Práticas de Electrónica e de Telecomunicações)

12º Ano

Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica

Autores:

Henrique Gante

José Gregório

Adaptado a partir do programa elaborado por:

António Manuel Lopes da Silva Pereira (Coordenador)

Mário Alberto dos Santos Isidoro

Eurico Tomás Magos

Jorge Luís de Matos Teixeira

Homologação 26/12/2006

Sistemas Analógicos e Digitais – 12.º ano (de acordo com a disciplina de especificação de Práticas de Electrónica e de Telecomunicações)

2

Índice

I – Introdução…………………………………………………………………………….. 3

II – Visão geral dos módulos/conteúdos………………………………….…………… 4

III – Desenvolvimento do programa………….……………………………..………….. 5

Módulo 7 …………………………………………………………………………….. 5

Módulo 8 …………………………………………………………………………… 18

Módulo 9 …………………………………………………………………………… 27

IV – Bibliografia Geral............................................................................................. 31


3

I. Introdução A disciplina de Sistemas Analógicos e Digitais é, como já se referiu, uma

disciplina trienal do Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica do ensino

secundário recorrente, orientada para a fundamentação cientifica dos fenómenos, dos

conceitos, das leis e das metodologias de análise.

Esta disciplina visou, ao longo dos 10º e 11º anos, o conhecimento dos

processos de produção, transporte e distribuição da energia eléctrica, das leis gerais

do circuito eléctrico, do magnetismo, do electromagnetismo e da corrente alternada e,

ainda, o funcionamento dos circuitos básicos com condensadores, díodos e

transístores, bem como o início do estudo dos amplificadores operacionais e dos

sistemas digitais.

O programa do 12º ano visa, agora, dando continuidade aos conhecimentos

adquiridos, o prosseguimento do estudo dos amplificadores operacionais e dos

sistemas digitais e o desenvolvimento dos conceitos relacionados com a electrónica de

potência, com os geradores de forma de onda e com os microcontroladores.

Na gestão dos tempos lectivos considerou-se de igual modo, como nos anos

precedentes, um total anual de 33 semanas, correspondentes a 66 tempos lectivos de

90 minutos cada. Esta carga horária contempla os necessários tempos lectivos

destinados ao desenvolvimento das aprendizagens. O tempo restante, contemplado

no calendário lectivo, destina-se à avaliação e a situações imprevistas. A atribuição da

carga horária teve em atenção o desenvolvimento dos diferentes temas e o grau de

aprofundamento atribuído à abordagem de cada conteúdo. A sugestão da forma como

a carga horária poderá ser distribuída, com os tempos lectivos entre parêntesis, deve

ser tomada como referência para a planificação das actividades lectivas, podendo ser

alterada em função das diversas formas de abordagem, do processo ensino-

aprendizagem e das actividades desenvolvidas.


4

II. Visão geral dos módulos/conteúdos

O programa do 12º ano está estruturado com base nos seguintes módulos e temas:

• Módulo 7 – Sistemas Digitais e Electrónica de Potência

7.1 – Circuitos sequenciais síncronos

7.2 – Memórias

7.3 – Electrónica de Potência

• Módulo 8 – Amplificadores Operacionais e Geradores de Forma de Onda

8.1 – Circuitos com Amplificadores Operacionais

8.2 – Geradores de Forma de Onda

• Módulo 9 – Microcontroladores 9.1 – Microprocessadores e Microcontroladores

9.2 – Arquitectura do Microcontrolador

9.3 – Conjunto de Instruções

Sistemas Analógicos e Digitais – Desenvolvimento do Programa – 12º ano (de acordo com a disciplina de especificação de Práticas de Electrónica e de Telecomunicações)

Módulo 7: Sistemas Digitais e Electrónica de Potência

5

Temas / Conteúdos Objectivos Sugestões Metodológicas Aulas de 90 min.

7.1- Circuitos sequenciais síncronos

7.1.1 - Aplicações com contadores sín-cronos.

− Reconhecer o funcionamento dos regis-tos e dos contadores síncronos mais conhecidos através da interpretação das dependências, na simbologia IE-EE/ANSI.

− Analisar o funcionamento de aplicações

com contadores, como por exemplo, o frequencímetro e/ou o relógio digital.

− Utilizar um contador reversível para

realizar contagens, de modo ascenden-te e descendente.

− Efectuar uma apresentação das prin-cipais características dos contadores em circuito integrado, estudados no ano anterior.

− Apresentar o esquema electrónico do

relógio e/ou frequencímetro, e propor a análise do seu funcionamento.

− Propor o projecto de um circuito de

contagem ascendente/descendente controlado por uma entrada externa.

− O circuito deve exigir a carga de nú-

meros diferentes nas entradas parale-las, ou sugerir a realização de um con-tador que efectue as contagens, no modo ascendente de N a 15 e no des-cendente de N a 0. A contagem deve ser realizada alternadamente.

22

(1)



6


7.1.2 - Registos − Registos tri-state. Transferência de da-

dos entre registos. − Registos de deslocamento.

Tipos. Utilização como contadores.

− Utilizar registos para guardar tempora-riamente dados.

− Interligar registos a barramentos. − Descrever aplicações que utilizem regis-

tos de vários bits em circuito integrado. − Reconhecer as configurações básicas:

SIPO, SISO, PISO E PIPO. − Conhecer o funcionamento dos registos

de deslocamento. − Descrever um registo de deslocamento

universal. − Desenhar aplicações dos registos de

deslocamento. − Utilizar um registo de deslocamento

como contador em anel ou Johnson.

− Apresentar aos alunos esquemas de circuitos, que promovam a comunica-ção de dados entre registos ligados a barramentos comuns.

− Utilizando dois registos de desloca-

mento universais, por exemplo o 74HCT194, propor aos alunos a cons-trução de um circuito que faça deslo-car o acendimento de um único led da esquerda para a direita, e que inverta o sentido ao ser alcançado o 8º led.

− Baseando-se num PISO e num SIPO, solicitar aos alunos a construção de um circuito, que realize a transmissão-recepção série de informação. Reali-zar o sincronismo necessário entre emissor-receptor.

(2)



7


7.1.3 - Controladores

− Circuitos de Moore e Mealy.

− Síntese de um controlador com flip-flops.

− Distinguir os circuitos sequenciais sín-cronos dos assíncronos.

− Caracterizar os circuitos sequenciais de Moore e de Mealy.

− Conhecer diferentes tipos de circuitos sequenciais.

− Construir o diagrama de estados a partir

da especificação do circuito, tendo no máximo duas entradas e três saídas.

− Desenhar o circuito sequencial, usando flip-flops D ou JK, a partir do diagrama de estados.

− Projectar circuitos sequenciais de Moore ou Mealy.

− Salientar que, quando se pretende ob-ter dum contador saídas descodifica-das do tipo 1 em n, o contador em anel é vantajoso relativamente ao contador síncrono com saídas descodificadas, pela ausência de transitórios (glitches).

− Salientar a maior rapidez dos circuitos

assíncronos, pesando embora a maior dificuldade de projecto e a detecção de avarias.

− Utilizando exemplos reais, ilustrar a

diferença de metodologia do projecto entre o circuito de Moore e o de Mealy, resolvendo, por exemplo, um mesmo problema pelos dois proces-sos, e comparando os diagramas de estados e número de circuitos integra-dos usados.

− Organizar grupos de trabalho que rea-lizem projectos diferentes, mas de modo a cada aluno desenhar um cir-cuito de Moore e outro de Mealy.

(5)



8


− Promover a divulgação e a discussão na turma dos trabalhos realizados, que posteriormente devem ser ensaiados nas aulas de PLEE.

− Sugere-se o comando automático de uma porta com 3 entradas (detector de presença, porta aberta, porta fe-chada), e duas saídas codificadas para o comando do motor (parado, ro-tação à esquerda, rotação à direita), e obtido através de um demultiplexer. A presença de uma pessoa implica sempre que a porta abra completa-mente.

− Ou, por exemplo, o acesso a uma garagem por introdução de uma moe-da que acciona a mudança de um sinal a verde, o qual retorna ao ver-melho por acção de um detector da passagem do automóvel. Caso o con-dutor não tenha pago, esse detector faz soar um alarme e mantém o sinal vermelho.



9


− Sugere-se, por outro lado, o circuito correspondente a uma fechadura codi-ficada por intermédio de duas botonei-ras XY. Um led aceso durante uma parte do período do relógio, indica a altura conveniente para introduzir pela botoneira X uma sequência predeter-minada de 4 bits, seguidos do bit 1 na botoneira Y. No caso de sequência er-rada, enquanto as botoneiras XY não produzirem simultaneamente o bit 1, a verificação da sequência não é reini-ciada.

− Ou, por exemplo, uma máquina de venda automática que aceite três tipos de moedas codificadas em binário, e tendo uma saída accionadora da en-trega do produto e duas saídas codifi-cando o número de moedas dum tipo a devolver como troco.



10


− Síntese de um controlador com contador e multiplexer.

− Reconhecer a modularidade de cons-

trução de um circuito sequencial. − Compreender a função de cada módu-

lo. − Desenhar um controlador, usando cir-

cuitos integrados MSI ou LSI, como por exemplo, multiplexer e contadores, a partir do diagrama de estados.

− Projectar de forma modular um circuito sequencial.

− Promover nos alunos a percepção de que qualquer circuito sequencial não é mais do que um contador especial, onde a sequência dos estados segue ou não uma ordem natural, podendo, assim, ser construído com um conta-dor e multiplexers que o comandam.

− Formar grupos de trabalho que dese-nhem diferentes circuitos de aplicação real, segundo uma metodologia de projecto modular, mas que permitam a cada aluno realizar um circuito de Moore e outro de Mealy.

− Organizar a divulgação e a discussão, na turma, dos trabalhos realizados que posteriormente devem ser ensaiados nas aulas de PLEE.

− Sugere-se, por exemplo, um circuito que comande o deslocamento de um guindaste à esquerda ou à direita me-diante impulsos em duas botoneiras, sendo a mudança de direcção feita com o guindaste parado por intermé-dio de outra botoneira.



11


− Ou, por exemplo, o de um controlador dos semáforos de um cruzamento entre uma avenida e uma rua secun-dária, tendo 4 entradas (tempo do sinal verde, tempo do sinal amarelo, uma actuação de emergência e de um sensor para os carros na rua), e duas saídas codificadas para cada conjunto de luzes, sendo o comando destas obtidas através de dois demultiplexers. Os semáforos da rua só passarão a verde por actuação do sensor de car-ros, ficando no entanto todos os semá-foros vermelhos enquanto a emergên-cia não cessar.

− Propõe-se desenhar o controlador de uma máquina, que verifica periodica-mente a entrada das peças, porque o seu funcionamento em segurança não admite mais de três falhas consecuti-vas, e precisa de um circuito que ana-lise os últimos três momentos, de modo a apresentar o número de falhas codificado com dois bits na saída.



12


− Ou, por exemplo, o comando de um elevador onde duas entradas codifi-cam as chamadas / envios correspon-dentes a 4 pisos, e duas saídas o co-mando do motor (parado, sobe, des-ce). Supõe-se que a chamada ou o envio é memorizado com o elevador parado e que se mantém inalterável até nova chamada ou envio.

− Sugerir aos diferentes grupos de tra-balho, a divulgação em ambiente mul-timédia, à turma e restante comunida-de escolar, das diferentes fases dos projectos elaborados e ensaiados nas aulas de PLEE.



13


7.2 - Memórias

7.2.1 - Tipos de memória

7.2.2 - Memórias ROM − Arquitectura.

− Tipos.

− Aplicações.

− Reconhecer o funcionamento das me-mórias através da apresentação dos cir-cuitos existentes no mercado, na simbo-logia IEEE/ANSI.

− Distinguir as memórias unicamente de leitura das de leitura e escrita.

− Explicar a estrutura de uma ROM e a

sua evolução para as EPROM e EE-PROM.

− Conhecer os sinais de comando e a sua temporização.

− Usar uma EPROM para obter um con-junto de funções combinatórias.

− Consultar sites e manuais específicos dos fabricantes para recolher informa-ção sobre os produtos existentes.

− Apresentar diferentes aplicações deste tipo de memórias, associando-as, por exemplo, com as necessidades de fun-cionamento de um computador.

− Evidenciar os sinais de comando ne-cessários e a sua sequência temporal para um correcto funcionamento das memórias.

− Mostrar que uma ROM é uma matriz de AND e OR, onde cada bit da palavra está associado a um mintermo deter-minado pelo endereço da palavra res-pectiva.

− Propor aos alunos a realização de um conversor de dados, por exemplo um conversor binário / BCD de 8 bit.

− Referir aos alunos, que numa perspec-tiva modular, é possível com uma me-mória e um registo construir qualquer circuito sequencial.

(1)



14


7.2.3 - Memórias RAM

− Arquitectura. − Tipos. − Aplicações.

7.2.4 - Descodificação de endereços

− Explicar a estrutura duma RAM. − Descrever a constituição e o funciona-

mento das RAM estáticas e dinâmicas (SRAM e DRAM).

− Identificar as diferentes tecnologias utili-zadas e respectivas vantagens.

− Descrever o funcionamento das memó-rias estudadas, distinguindo ROM e RAM.

− Conhecer as memórias RAM não volá-teis NVRAM.

− Determinar a capacidade de uma memó-ria conhecendo as suas entradas e saí-das.

− Associar memórias de modo a obter

maiores capacidades e/ou palavras. − Realizar circuitos descodificadores de

endereços de memória.

− Realçar a importância das memórias nos sistemas digitais e a crescente pressão do mercado para obter memó-rias de maior capacidade com dimen-sões mais reduzidas e velozes.

− Mostrar a maior complexidade de utili-zação das DRAM em relação às SRAM, embora beneficiando de maio-res capacidades.

− Evidenciar os sinais de comando ne-cessários e a sua sequência temporal para um correcto funcionamento das memórias.

− Salientar a utilização das NVRAM nos computadores.

− Pela apresentação do mapa de memó-

ria de um circuito baseado em micro-processador/microcontrolador, dese-nhar o respectivo descodificador de endereços, e mostrar a sua imprescin-dibilidade.

(1)

(1)



15


7.2.5 - PLD

− Conhecer a estrutura básica e os tipos de circuitos lógicos programáveis.

− Explicar a estrutura matricial das PAL e PLA.

− Identificar as características fornecidas pelo construtor.

− Determinar o conjunto de fusões nos

PLD, para funções lógicas básicas. − Usar uma PAL ou PLA para obter um

conjunto de funções combinatórias.

− Realçar as diferenças de organização entre as ROM, PAL e PLA.

− Partindo de esquema de PAL existente no mercado, determinar o conjunto de fusões necessárias à realização de funções lógicas simples.

− Mostrar o funcionamento de uma fer-ramenta informática de programação de PAL, para exemplificar a construção de um circuito digital combinatório com várias saídas.

− Realçar a aplicabilidade das PAL na obtenção de descodificadores de ende-reços.

− Organizar grupos de trabalho que, re-correndo aos sites/manuais dos fabri-cantes, obtenham tipos de memórias e PLD comerciais, as características dos dispositivos de memória estudados, comparem as tecnologias usadas, ca-pacidades, tempos de acesso, etc.

− Cada grupo deve divulgar na turma o trabalho elaborado.

(1)



16


7.3 – Electrónica de potência 7.3.1 - Dispositivos de potência

− Identificar a necessidade dos dispositi-vos de potência.

− Descrever a constituição e funciona-mento dos seguintes dispositivos de po-tência.

− Díodo. − Tiristores: SCR, Triac e GTO. − Transístor bipolar. − MOSFET. − IGBJT.

− Enumerar aplicações concretas dos dispositivos de potência.

− Seleccionar os dispositivos de potência em função da frequência de trabalho, corrente máxima e tensão máxima de bloqueio.

− Apresentar situações concretas que envolvam a utilização de dispositivos de potência.

− Referir as vantagens que se obtêm com a utilização de circuitos de elec-trónica de potência relativamente aos equipamentos tradicionais.

− Referir as limitações actuais dos cir-cuitos de electrónica de potência.

− Apresentar exemplos de circuitos que

utilizem cada um destes dispositivos, fazendo a descrição do seu funciona-mento através da utilização das cur-vas características.

− Consulta de sites de fabricantes e manuais para obtenção de caracterís-ticas e valores limites de utilização.

− Comparar as características dos dife-rentes dispositivos de potência tendo em vista a sua utilização em situações concretas.

− Apresentação de circuitos de aplica-ção em aparelhos electrodomésticos e industriais.

(1)

(4)



17


7.3.2 - Dispositivos de disparo 7.3.3 - Interface entre os circuitos de

comando e potência

− Identificar a necessidade de circuitos de comando dos dispositivos de potência.

− Descrever a constituição e funciona-mento dos seguintes dispositivos de disparo.

DIAC. SUS e SBS. UJT. PUT.

− Dimensionar circuitos de disparo sim-ples.

− Explicar a necessidade de utilização de

técnicas de isolamento galvânico entre os circuitos de comando e potência.

− Descrever e explicar o funcionamento de circuitos de interface entre o circuito de comando e o circuito de potência.

Ligação óptica. Ligação por transformador de

isolamento.

− Consulta de sites de fabricantes e manuais para obtenção de caracterís-ticas e valores limites de utilização.

− Apresentação de circuitos de aplica-ção em aparelhos electrodomésticos e industriais.

− Utilizar tabelas para calcular e dimen-sionar circuitos de disparo que utili-zem uma malha RC.

− Dimensionar um oscilador de relaxa-ção utilizando um UJT ou um PUT.

− Apresentar aplicações típicas que utilizem estes componentes.

− Descrever, de forma sucinta, as pro-priedades e o funcionamento dos LED, dos fototransístores e dos foto-triacs.

(3)

(2)


Módulo 8: Amplificadores Operacionais e Geradores de Forma de Onda

18


8.1 – Circuitos com amplificadores operacionais

− Os circuitos com amplificadores opera-cionais deverão ser sempre estudados na perspectiva do amplificador opera-cional ideal. Os alunos devem, contu-do, estar alertados para as situações em que surgem divergências experi-mentais relativamente ao modelo ideal. Estas divergências devem ser espe-cialmente salientadas a nível do slew-rate, tensão de off-set e banda passan-te.

− É aconselhável também a obtenção, a partir da Internet, de data-sheets de amplificadores operacionais dos diver-sos fabricantes e de diversos tipos, de forma a ser possível comparar as suas características.

− Estas características deverão estar sempre presentes quando se pretender dimensionar um circuito com amplifica-dores operacionais.

− Deve ter-se sempre em linha de conta a necessidade de apresentação de cir-cuitos práticos onde as diversas mon-tagens com amplificadores operacio-nais podem ser úteis.

22



19


8.1.1 - Circuitos lineares

− Amplificador de instrumentação. − Integrador. − Diferenciador.

− Identificar os diversos tipos de amplifi-cador.

− Descrever aplicações dos diversos am-plificadores.

− Relacionar a(s) grandeza(s) de saída com a(s) grandeza(s) de entrada.

− Dimensionar circuitos em situações simples.

− Utilizar situações concretas que evi-denciem a necessidade de amplifica-dores de instrumentação, nomeada-mente a nível do ganho do off-set. Pode apresentar-se, como exemplo, um termómetro usando um sensor de temperatura em circuito integrado e uma tensão de referência, também em circuito integrado.

− Verificar que as características intrín-

secas do amplificador operacional o tornam bastante útil para a obtenção de um amplificador de instrumenta-ção.

− Podem apresentar-se situações em

que é necessário determinar o integral de uma função, por exemplo, calcular o consumo energético a partir da po-tência.

− Pode apresentar-se a utilização do diferenciador como, por exemplo, na determinação duma velocidade conhecida a posição.

(3)



20


− Conversor tensão-corrente (amplificador de transcondutân-cia).

− Conversor corrente-tensão

(amplificador de transresistên-cia).

8.1.2 - Circuitos não lineares − Circuitos limitadores de tensão.

− Identificar necessidade de circuitos

limitadores de tensão. − Descrever o funcionamento dos diferen-

tes circuitos limitadores de tensão. − Dimensionar circuitos limitadores em

situações simples.

− Fazer referência à utilização dum con-versor tensão-corrente para o trans-porte de sinais analógicos à distância (considerar, por exemplo, o circuito in-tegrado XTR110 da Burr-Brown).

− A utilização do conversor corrente-

tensão pode ser evidenciado com a construção de um transformador de corrente ou de um sensor de corrente de defeito, utilizando um toróide, cuja saída será a entrada do amplificador.

− Descrever situações que justifiquem a

utilização de circuitos limitadores tais como a protecção de circuitos, a cria-ção de formas de onda e a obtenção de níveis lógicos a partir de sinais analógicos.

− Propor aos alunos a obtenção de cir-

cuitos limitadores da tensão de saída usando díodos Zener.

(4)



21


− Rectificadores de precisão.

8.1.3 - Circuitos comparadores

− Conceito geral. − Detector de passagem por zero. − Detector de nível. − Comparador regenerativo inversor e

não-inversor (Schmitt-trigger).

− Distinguir entre rectificador e rectificador

de precisão. − Descrever o funcionamento de um recti-

ficador de precisão meia-onda. − Explicar o funcionamento de um rectifi-

cador de precisão de onda completa.

− Caracterizar um comparador.

− Mostrar que é possível fazer uma limi-tação de tensão ajustável, usando um divisor de tensão, em conjunto com um díodo de sinal.

− Propor aos alunos o dimensionamento de circuitos limitadores de tensão de saída.

− Evidenciar a impossibilidade de fazer a rectificação de sinais de fraca ampli-tude com díodos.

− Levar os alunos à obtenção de um rectificador de precisão de onda com-pleta, a partir de um rectificador de meia-onda e de um somador.

− Conduzir os alunos à percepção da possibilidade de obtenção dos valores médio e eficaz de ondas sinusoidais e triangulares utilizando um rectificador de precisão e um filtro passa-baixo.

− Comparar o funcionamento de um amplificador operacional em malha aberta a trabalhar como comparador com o funcionamento de um compa-rador.

− Apresentar exemplos reais.

(3)



22


− Identificar circuitos comparadores. − Enumerar e explicar as características

principais de um comparador regenera-tivos e não regenerativos).

− Projectar circuitos simples que envol-

vam o uso de comparadores.

− Colocar à disposição dos alunos par-tes de circuitos que envolvam compa-radores, como sejam o osciloscópio, geradores de sinais, etc., e realizar uma análise qualitativa do seu funcio-namento.

− Propor a realização de breves consul-tas, quer a manuais quer a sites de fabricantes, para constatar a tecnolo-gia usada para cada um dos compa-radores em CI.

− Fazer especial referência às tensões

de disparo ascendente e descenden-te, bem como às tensões máxima e mínima, de saída.

− Projectar, por exemplo, um circuito,

tudo-ou-nada, de regulação de tempe-ratura usando um sensor de tempera-tura e um comparador regenerativo (Schmitt-trigger).



23


8.1.4 - Conversão D/A e A/D − Circuitos de Sample&Hold. − Conversores D/A.

− Conversores A/D.

− Justificar a necessidade de conversão D/A e A/D.

− Enunciar o Teorema da Amostragem. − Identificar a necessidade de manter o

sinal analógico constante durante o in-tervalo em que se realiza a conversão.

− Descrever o princípio de funcionamento de um circuito S&H.

− Descrever e explicar o funcionamento de circuitos de conversão D/A.

Conversor D/A com resistências ponderadas.

Conversor D/A com malha R-2R.

− Descrever e explicar o funcionamento de circuitos de conversão A/D.

Conversor A/D por contagem. Conversor A/D de dupla rampa

(dual-slope).

− Utilizar exemplos de situações práti-cas e equipamentos que utilizem con-versores A/D e D/A.

− Relacionar a frequência de amostra-gem (sampling-rate) com a máxima frequência utilizável, em situações re-ais (por exemplo em CD áudio e numa linha RDIS).

− Propõe-se a consulta de folhas de características de fabricantes e a iden-tificação da terminologia usada na ca-racterização deste tipo de circuitos.

− Propõe-se a resolução de alguns exercícios simples que envolvam estes conversores, de modo a eviden-ciar a correspondência entre a tensão analógica de entrada e a grandeza digital de saída.

− Propõe-se a resolução de alguns

exercícios simples que envolvam es-tes conversores.

(5)



24


Conversor A/D por aproximações

sucessivas. Conversor A/D por comparação

paralelo (flash). Conversor A/D Sigma-Delta.

− Constatar a existência de conversores com saídas paralelas e conversores com saída série e distingui-los pelo seu funcionamento.

− Envolver preferencialmente, meios audiovisuais para propor os exemplos a resolver.



25


8.2 – Geradores de forma de onda 8.2.1 - Sinusoidal

− Oscilador por desvio de fase. − Oscilador em ponte de Wien. − Oscilador de quadratura. − Oscilador a cristal.

8.2.2 - Triangular

− Descrever o modo de funcionamento de um gerador de onda sinusoidal.

− Enunciar o critério de Barkausen. − Calcular a frequência de oscilação. − Justificar a necessidade de limitar o

crescimento das oscilações. − Enumerar técnicas de limitação das

oscilações de saída.

− Enunciar o princípio geral de obtenção

duma rampa de tensão. − Explicar a obtenção dum gerador de

onda triangular a partir dum integrador e dum Schmitt-trigger.

− Descrever o método de controlo dos níveis máximo e mínimo da tensão da onda triangular e do duty-cycle da onda rectangular.

− Fazer o dimensionamento de um osci-lador de cada tipo, pela utilização da(s) fórmula(s) correspondentes para a obtenção da frequência de oscila-ção.

− Apresentar o circuito equivalente de um cristal piezoeléctrico e referir as frequências de ressonância série e paralelo.

− No caso do oscilador a cristal, referir apenas o oscilador típico que utiliza dois inversores.

− Apresentar partes de circuitos reais que utilizem osciladores dos tipos es-tudados.

− Propor o dimensionamento de um gerador de onda triangular.

− Utilizar um gerador de onda triangular e um comparador para obter uma mo-dulação por largura de impulso.

− Levar os alunos a concluir que, com uma modulação por largura de impul-so, é possível controlar a velocidade de um motor de corrente contínua.

(3)

(2)



26


8.2.3 - Circuitos de temporização

– Oscilador de relaxação/multivibrador

astável.

− Multivibrador monostável.

− Calcular a frequência de oscilação e o duty-cycle da onda rectangular.

− Descrever o processo de modulação por largura de impulso (PWM).

− Identificar a necessidade de utilização

de circuitos de temporização. − Descrever o princípio de funcionamento

de um oscilador de relaxação. − Calcular a frequência de oscilação e o

duty-cycle dum oscilador de relaxação. − Descrever o princípio de funcionamento

de um multivibrador monostável. − Enumerar os diferentes tipos de disparo

e saída de um multivibrador monostá-vel.

− Calcular o tempo de largura de impulso de um multivibrador monostável.

− Propor as alunos a detecção de situa-

ções que justifiquem a utilização de circuitos de temporização.

− Projectar um oscilador de relaxa-

ção/multivibrador astável usando um Schmitt-trigger ou o CI 555.

− Projectar um multivibrador monostável utilizando o CI 555 e circuitos TTL e CMOS.

− Distinguir, pelas suas características, os circuitos com TTL ou CMOS dos realizados com CI 555.

− Obtenção dos valores limites de utili-zação a partir dos dados dos fabrican-tes.

(2)


Módulo 9: Microcontroladores

27


9.1 – Microprocessadores e micro-

controladores

− Listar as diferenças entre microcontro-

ladores e microprocessadores. − Enumerar os principais fabricantes de

microcontroladores de 4, 8, 16 e 32 bit.

Nota: A opção pela família de microcontroladores 8051 deve-se, principalmente, às suas carac-terísticas que a elegem como a opção mais didáctica, à facilidade de obtenção de infor-mação, aos desenvolvimentos que tem origi-nado ao longo dos anos, à sua posição de líder no mercado mundial onde realçamos os fabricantes como a Intel, Philips, Siemens, Dallas, Atmel, que fornecem uma diversifica-da gama de compatíveis com distintas confi-gurações e número de pinos.

Entendemos, no entanto, que as escolas, utilizando os seus potenciais humanos e/ou técnicos disponíveis, poderão optar pelo desenvolvimento deste tema suportando a aprendizagem em outro(s) tipos de circuitos e fabricantes.

− Distinguir as versões 8031/8051/8751 pelas suas características.

− Descrever a evolução por parte dos fabricantes, em particular com a intro-dução de memória interna flash.

(ex: 87C520, 89Cx051, 89S53).

22

(2)



28


9.2- Arquitectura do microcontrola-dor

− Constituição.

− Memória externa.

− Contadores e temporizadores.

− Conhecer o hardware do microcontrola-dor: oscilador, circuito de reset, tempori-zação interna, contador do programa (PC) e ponteiro de dados (DPTR), regis-tos A e B da CPU, flags e palavra de es-tado (PSW), memória interna RAM e ROM, pilha e ponteiro de pilha, registo de funções especiais (SFR).

− Conhecer os diferentes funcionamentos dos portos de entrada/saída paralela.

− Utilizar a descodificação de endereços

para efectuar a ligação da ROM e da RAM externas.

− Distinguir os modos de operação do contador/temporizador.

− Reconhecer a função de interrupção do contador/temporizador.

− Baseando-se no esquema de um mi-crocontrolador da família 8051, propor aos alunos a execução faseada de um sistema, que satisfaça os requisitos de hardware mínimos de funcionamento autónomo, e que contenha os circuitos do oscilador e de reset, as memórias externas RAM e EPROM, o descodifi-cador de endereços, e a interface RS232. A elaboração progressiva do desenho esquemático do sistema baseado no microcontroldor 80C51, deve ocorrer em paralelo com a apren-dizagem das suas características de funcionamento, recorrendo quer a manuais quer a sites dos diversos fabricantes.

− Com esta metodologia pretende-se que o aluno construa ele próprio uma per-cepção das necessidades dum sistema autónomo, numa perspectiva modular e de integração de saberes adquiridos.

(10)



29


− Entrada/saída de dados em série.

− Interrupções

− Desenvolvimentos estruturais.

9.3 - Conjunto de instruções

− Modos de endereçamento.

Movimentação de dados.

Operações lógicas.

Operações aritméticas.

Instruções de salto e chamada.

− Reconhecer os modos distintos de transmissão e recepção de dados e a função de interrupção associada.

− Conhecer o sistema de interrupções do microcontrolador e as respectivas priori-dades.

− Caracterizar os desenvolvimentos, na arquitectura, tecnologias, velocidades e controlo.

− Conhecer as funções de watchdog, de power-on reset e de monitorização da tensão de alimentação.

− Distinguir entre linguagem assembly e máquina.

− Explicar os modos de endereçamento usados nas instruções do microcontro-lador.

− Conhecer os diferentes grupos de ins-truções do microcontrolador.

− Pretende-se, igualmente, que o aluno compreenda as necessidades adicio-nais de software, para que o sistema funcione, e por extrapolação, seja capaz de avaliar as necessidades de hardware e de software de um compu-tador.

− Descrever os desenvolvimentos mais característicos dos diferentes fabrican-tes, realçando os timmers, número de portas série, entrada saída de dados analógicos (conversores ADC e DAC) e tipos de protocolos de comunicação série como o SPI e I2C.

− Realçar a necessidade destes meca-nismos, em particular nas aplicações sujeitas a interferências.

− À medida que vão sendo estudados os diferentes tipos de instruções, propor a realização de pequenos programas elucidativos da função e das potenciali-dades das instruções.

(10)



30


− Utilizando uma ferramenta informática, solicitar aos alunos a realização do de-senho esquemático do circuito obtido, visando, a sua apresentação à turma e à comunidade escolar, bem como futu-ros desenvolvimentos de comando e controlo na disciplina de Práticas Labo-ratoriais e realização da PAT – Prova de Aptidão Tecnológica.

− Divulgar os trabalhos realizados.

Sistemas Analógicos e Digitais – 12.º ano (de acordo com as disciplinas de especificação de Práticas de Electrónica e de Telecomunicações)

31

IV. Bibliografia Geral

Ayala, K. J. (1997). The 8051 Microcontroller – Architecture Programming and Applica-tions. New York: West Publishing Company.

(Contempla o capítulo do programa: microcontroladores. Recomendado para o professor).

Boylestad, R. & Nashelsky, L. (1994). Dispositivos Electrónicos e Teoria de Circuitos.

Rio de Janeiro: Prentice-Hall.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos com amplificadores operacio-nais. Recomendado para o professor).

Brice, T. E. (1997). Analog Electronics – An Integrated PSPICE Approach. New Jersey: Prentice-Hall.

(Contempla os capítulos do programa: amplificadores operacionais e geradores de forma de onda e electrónica de potência. Recomendado para o professor).

Ferreira, J. M. (1998). Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontrolado-res. Porto: Edições FEUP.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos sequenciais síncronos e micro-controladores. Recomendado para o professor).

Floyd, T. L. (1994). Digital Fundamentals. New York: Merrill.

(Contempla o capítulo do programa: memórias. Recomendado para o professor.).

Franco, S. (2000). Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. New York: McGraw-Hill.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos com amplificadores operacionais e geradores de forma de onda. Recomendado para o professor).

Lander, C. W. (1988). Electrónica Industrial – Teoria e Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill.

(Contempla o capítulo do programa: electrónica de potência. Recomendado para professor e alunos).

Lilen, H. (1980). Thyristors y Triacs. Madrid: Marcombo Editores.

(Contempla o capítulo do programa: electrónica de potência. Recomendado para professor e alunos).

Malvino, A. P. (2000). Princípios de Electrónica. São Paulo: McGraw-Hill.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos com amplificadores operacionais e geradores de forma de onda. Recomendado para o professor)


32

McKenzie, I. S. (1999). The 8051 Microcontroller. New Jersey: Prentice-Hall.


Mohan, U. R. (1989). Power Electronics: Converters, Applications and Design. New York: John Wiley and Sons.

(Contempla os capítulos do programa: electrónica de potência. Recomendado para o professor).

Millman, J. & Grabel, A. (1992). Microelectrónica. Lisboa: McGraw-Hill.

(Contempla o capítulo do programa: circuitos com amplificadores operacionais. Recomendado para o professor).

Padilla, A. J. G. (1993). Electrónica Analógica. Lisboa: McGraw-Hill.

(Contempla o capítulo do programa: circuitos com amplificadores operacionais e geradores de forma de onda. Recomendado para o aluno).

Pereira, A. S., Águas, M. & Baldaia, R. (1998). Sistemas Digitais, 12ºano. Porto: Porto Editora.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos sequenciais síncronos, memó-rias. Recomendado para o aluno).

Pertence, J. A. (1988). Amplificadores operacionais e filtros activos. São Paulo: McGraw-Hill.


Predko, M. (1999). Programming and Customizing the 8051 Microcontroller. New York: McGraw-Hill.


Stanley, W. J. (1999). Operational Amplifier with Linear Integrated Circuits. New York: Merril.


Tobey, G. H. (1989). Operational Amplifiers - Design and Applications. New York: McGraw-Hill.



33

Tocci, R. J. (1991). Digital Systems Principles and Applications. New Jersey: Prentice-Hall.

(Contempla o capítulo do programa: memórias. Recomendado para o professor).

Wakerly, J. F. (1990). Digital Design Principles and Practices. New Jersey: Prentice-Hall.

(Contempla os capítulos do programa: circuitos sequenciais síncronos – memó-rias. Recomendado para o professor).

Yeralan, S. & Ahluwalia, A. (1995). Programming and Interfacing the 8051 Microcon-troller. New York: Addison Wesley.


Documents

Sistemas Analógicos e Digitais - josematias.pt · sistemas digitais e o desenvolvimento dos conceitos relacionados com a electrónica de ... Microprocessadores e Microcontroladores